您知道如何縮放模擬輸入嗎？或者如何連接模擬輸出？

許多人在 PLC 編程中都難以理解模擬信號。接線以及如何在 PLC 程序中使用模擬輸入或輸出可能很棘手。您通常會看到數(shù)字示例 PLC 程序，在我的結(jié)構(gòu)化文本教程中，大多數(shù)示例都是數(shù)字程序。

我寫這篇文章是因為你們中的許多人都想學習如何在 PLC 編程中使用模擬信號。模擬信號在 PLC 程序中被廣泛使用，但也經(jīng)常用于SCADA 系統(tǒng)。那么如何將 4-20mA 模擬變送器連接到 PLC 并在 PLC 程序中使用它呢？如何在功能塊圖中縮放模擬信號？本文將為您提供這些問題的答案以及更多內(nèi)容。

在本文中你將了解：

• PLC 中的模擬信號
  • 用二進制數(shù)表示模擬信號
  • 位和字節(jié)
  • A/D轉(zhuǎn)換器
  • 模擬信號分辨率
  • 模擬信號范圍
• 模擬輸入
  • PLC 模擬輸入接線
    • 電壓模擬輸入
    • 電流模擬輸入
      • 2 線模擬輸入
      • 3 線模擬輸入
      • 4 線模擬輸入
  • 模擬輸入縮放
• 模擬輸出
  • PLC 模擬輸出接線
    • 電壓模擬輸出
    • 電流模擬輸出
  • 模擬輸出縮放/取消縮放

但首先，讓我先介紹一些有關(guān)模擬信號以及它們在 PLC 中的工作原理的基礎(chǔ)知識。

PLC 中的模擬信號

首先，我們要看一些數(shù)字。如果你讀過我關(guān)于組合邏輯的文章，你就會知道 PLC 可以使用布爾值。PLC 只能使用值 0 和 1。

這對于數(shù)字信號來說非常好。它們要么是 0，要么是 1，因此相對容易處理。但是模擬信號呢？正如維基百科所寫，模擬信號是可以隨時間變化的連續(xù)信號。

例如，您可以得到一個 0-10 伏的模擬信號。該信號可以在 0 到 10 伏之間變化，并且具有介于兩者之間的任何電壓電平。由于模擬信號是連續(xù)的，因此該信號在任何時候都會始終表示一個電壓電平。如果您查看下圖，您將看到模擬信號可以具有 0 到 10 伏之間的任何值。

0-10 伏模擬信號

現(xiàn)在的問題是：PLC 如何處理所有這些不同的值？假設(shè)有一個 5 伏的模擬信號進入 PLC。我們不能用布爾值來表示它，因為它們只能有值 0 和 1。

答案是二進制數(shù)！

用二進制數(shù)表示模擬信號

如前所述，PLC 只能處理 0 和 1 這兩個值。但這確實阻止了我們處理模擬信號。因為實際情況是，PLC 處理二進制數(shù)。這是因為 PLC 或微控制器實際上只是由晶體管制成的高級電路。由于晶體管只能打開或關(guān)閉，因此這兩個狀態(tài)將代表值 0 和 1。

但這只給了我們兩種狀態(tài)。對于數(shù)字信號非常有用，但對于模擬信號則不然。要了解模擬輸入在 PLC 中的工作原理，您必須了解二進制數(shù)。

二進制數(shù)是 PLC 或任何其他計算機使用的編號系統(tǒng)。該系統(tǒng)只有兩個數(shù)字，而我們的十進制編號系統(tǒng)有 10 個數(shù)字，從 0 到 9。二進制只是另一種寫數(shù)字的方式。如果您不知道二進制數(shù)的工作原理，我建議您查看本教程。

位和字節(jié)

一位二進制數(shù)稱為一位。一位可以容納 0 或 1。如上所述，這就是數(shù)字輸入的工作原理。但是，如果您將這些位組合起來，從而創(chuàng)建多位數(shù)字，事情就會變得有趣起來。

在許多 PLC 中，模擬信號由一個字表示。二進制中的一個字是一行中的 8 個零或兩個字節(jié)（4 個零）。就像這樣：

00000000 00000000

如果您對二進制數(shù)有一點了解，您就會知道，一個 16 位二進制數(shù)可以表示從 0 到 65.535 的值。但對于 PLC 來說，這只是事實的一半。因為第一位用于對數(shù)字進行簽名，從而賦予其正值或負值。

因此，如果用 1 位來簽名，則剩下 15 位來表示模擬值。因此，二進制數(shù)可以表示從 -32.768 到 32.767 的值。

A/D轉(zhuǎn)換器

想象一下，模擬信號就像一條流入 PLC 的河流。A?/D 轉(zhuǎn)換器就像一座水壩，將這種連續(xù)流動的信號轉(zhuǎn)換為可管理的片段——數(shù)字信號。這些數(shù)字位是 PLC 用來理解和有效處理傳入信息的工具。

在了解 A/D 轉(zhuǎn)換器之前，了解您正在處理的模擬信號類型非常重要。在本文中，我將重點介紹 PLC 編程中的這三種類型的模擬信號：

• 電壓
• 當前的
• 反抗

我們需要了解信號的類型是因為我們需要知道信號的范圍。

一種非常常用的模擬信號類型是4-20mA。

4-20 mA 模擬信號

我們必須知道信號的類型。因為在這個例子中，我們現(xiàn)在知道模擬信號的范圍是 16mA。模擬值通常放在 PLC 中的 16 位雙字中。這是因為 A/D 轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為 16 位長的數(shù)字值。

您可以購買具有不同分辨率的模擬輸入卡。這取決于 A/D 轉(zhuǎn)換器需要處理的位數(shù)。位數(shù)越多，我們就能用更多數(shù)字來表示模擬信號。

模擬信號分辨率

您必須保存模擬值的位數(shù)實際上稱為分辨率。 可以把它想象成您的電視。 它也只有一定數(shù)量的像素來表示圖像。 模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換也是如此。

就像我們在談?wù)撾娨暽系南袼財?shù)量時稱之為分辨率一樣，我們在談?wù)撚脭?shù)字表示的模擬值時也稱之為分辨率。

在 PLC 編程中處理模擬信號時，分辨率非常重要。當輸入模擬輸入卡時，模擬信號將被分割成 0 到 32.767 之間的值。將模擬值除以 32.767 可得到一定的分辨率。

每當我們的值增加 1，就意味著模擬信號增加了 x mA。

我們還不能計算 mA。因為大多數(shù) PLC 在談?wù)撃M信號時都有所謂的超范圍和欠范圍。讓我們仔細看看 PLC 編程中模擬信號的范圍。

模擬信號范圍

現(xiàn)在事情開始變得特定于供應(yīng)商。在本文中，我將以西門子為例。但別擔心。這一原則適用于大多數(shù) PLC 供應(yīng)商。

模擬信號往往非常敏感。雖然我們的目的是將信號范圍設(shè)定為 4-20mA，但信號有時會出現(xiàn)峰值或下降。當這種情況發(fā)生時，我們希望能夠在 PLC 中看到。雖然情況并非總是如此，但這些峰值和下降可能意味著出現(xiàn)了問題。為了能夠在 PLC 程序中檢測到這些情況，我們需要所謂的超范圍和欠范圍。

西門子 PLC 的模擬信號范圍

我們的正常范圍或額定范圍是 4-20mA。但在此范圍之上和之下，西門子在范圍中增加了一些額外的 mA。他們將超范圍分為以下兩類：

• 過沖范圍（過量程）
• 溢出

以下兩項的下限為：

• 低于范圍（低于范圍）
• 下溢

這意味著我們現(xiàn)在擁有1.185 – 22.96 mA范圍，而不是 4-20 mA 范圍。這同樣適用于其他類型的模擬信號。例如，0-10V 范圍是0 – 11.852 V范圍。

總而言之，這意味著我們的模擬信號范圍可以這樣表示：

考慮到上溢和下溢，我們現(xiàn)在可以開始計算模擬信號的實際分辨率。但不要只使用 22.96-1.185 mA 或 11.852 V 范圍，你應(yīng)該注意這里的一個數(shù)字：

27.648

如上表所示，這就是我們的額定范圍的結(jié)束點。因此，我們對 0-10 V 信號的分辨率應(yīng)按如下方式計算：

10V/27658=?361.7μV

或者對于我們的 4-20 mA 信號：

16 毫安/27648 =?578.7 納安

這兩個數(shù)字是我們能在 PLC 中用數(shù)字值表示的最小值。在大多數(shù)情況下，這些步驟很小且足夠精確。還要記住，你想要的分辨率越高，PLC 模擬輸入和輸出模塊就越昂貴。

模擬輸入

記住一些理論后，我們通過查看 PLC 中的模擬輸入來深入研究它。

模擬輸入可以來自各種傳感器和變送器，或者兩者兼有。例如，將一種熱電偶連接到變送器，然后將其連接到 PLC 模擬輸入。您可以測量一大堆不同的東西。傳感器或變送器的工作是將其轉(zhuǎn)換為電信號。以下是您可以使用模擬傳感器測量的一些東西：

• 等級
• 流動
• 距離
• 粘度
• 溫度

當然，您還可以測量許多其他東西。這里的重點是我們（傳感器或變送器）將這些物理值轉(zhuǎn)換為模擬信號。我們可以將該信號用作 PLC 中的模擬輸入。

這里舉個例子，溫度變送器輸出為 4-20 mA。變送器上連接有溫度傳感器。然后，將變送器校準到例如 0-100 度的范圍。這意味著，當溫度為 0 度時，變送器的輸出為 4 mA，當溫度為 100 度時，變送器的輸出為 20 mA。

通常需要變送器，因為傳感器本身無法為我們提供模擬信號。或者至少無法提供適合 PLC 模擬輸入的模擬信號。可以購買模擬輸入模塊，例如，可以直接連接溫度傳感器。但大多數(shù)情況下，您會有一個電壓或電流輸入模塊，用于連接變送器。

說到變送器，校準非常重要。你必須知道這些毫安或伏特在物理值中代表多少。

模擬輸入接線

在接線模擬輸入時，首先了解信號并查閱手冊至關(guān)重要。每種信號類型都有自己特定的接線方法。把它想象成設(shè)置一個新設(shè)備；你需要了解它的功能并仔細遵循設(shè)置指南。

在本教程中，我將介紹兩個最基本的模擬輸入信號的接線：

• 電壓
• 當前的

我將模擬輸入信號分為這兩類的原因不僅是因為它們是最常用的信號。還因為它們的接線方式不同。由于這兩種模擬信號的工作方式非常不同，您還必須在模擬輸入模塊上以不同的方式接線。接線錯誤可能會損壞輸入模塊，所以要小心！

兩種類型的模擬信號都有一個共同點。

反抗。

電阻可以分壓或限制電流。事實上，電阻甚至可以用來測量電流。但稍后會詳細介紹。讓我們先看看第一種模擬信號——電壓。

電壓模擬輸入接線

使用電壓來傳輸模擬信號非常普遍。它們也相當容易接線，因為通常只需要兩根電線。但這并不意味著您在接線這種類型的模擬信號時不應(yīng)該小心。如果接線不正確，您可能會得到錯誤的模擬信號，甚至更糟的是，模擬輸入模塊損壞。

因此，基本上所有模擬電壓輸入都有兩個端子：

• AGND：模擬輸入的接地或參考
  
• AIN：模擬輸入

電壓總是在兩點之間測量。您不能取一個點然后說：在這一點上我可以測量 10 伏。為此，您需要一個參考點。就像電池一樣。9 伏電池的正極和負極之間只有 9 伏。

這就是我們使用 AGND 或模擬接地的原因。PLC 就是在 AGND 和 AIN 之間測量模擬輸入的電壓。這也讓我們知道了 AIN 是什么。

連接模擬電壓源時，AIN 是連接其正極 (+) 側(cè)的地方。負極 (-) 應(yīng)連接到 AGND。這是模擬信號的兩條主線。

但如果你只連接這兩個，你最終會得到一個非常脆弱的信號。電磁兼容性 (EMC)可以輕易改變你的模擬信號。

如下所示，通過屏蔽電線并將屏蔽層接地可解決這個問題。但請注意，這與 AGND 不是同一個接地！

電壓模擬輸入的配線

問題是并非所有接地都相同。當 AGND 用作模擬信號（0 伏）的參考時，屏蔽應(yīng)連接到大地。因為噪聲實際上只是由于磁場在電線中感應(yīng)電流。通過使用屏蔽，電流將在屏蔽中感應(yīng)，而不是在模擬信號的電線中感應(yīng)。需要將該電流引走，這就是我們將屏蔽連接到大地的原因。

電線電壓降

由于我們在這里處理的是電壓，所以接線本身可能會引起問題。所有電線（導體）都有電阻，因此會產(chǎn)生電壓降。這可能意味著模擬輸入端的電壓與變送器端的電壓不同。當然，只有當接線距離較長或電線太細時，這才會產(chǎn)生重大影響。

電流模擬輸入接線

除了電壓，您還可以使用電流作為模擬信號。它們可能接線起來有點棘手，但總體而言它們更穩(wěn)定。尤其是其中一個具有非常智能的功能，使其成為最常用的模擬信號類型。

模擬信號中的電流通常以毫安 (mA)為單位進行測量。這里的典型范圍是 0 到 20 mA。小于這個值將很難測量，而大于這個值很快就會變得危險。讓我們看看在模擬信號中使用電流的真正含義。

首先，您需要一個閉合回路來讓電流流動。

盡管第一種電流變送器的接線與電壓變送器的接線相同，但這里還是有些不同。電流是電子從一極流向另一極的流動。這就是為什么你總是需要一個閉環(huán)來測量電流。

分流電阻

事實上，PLC 甚至無法測量電流。因此，在模擬輸入模塊內(nèi)部，在正極 (AI) 和負極 (AGND) 之間放置一個電阻。這不僅會構(gòu)成閉環(huán)，還會將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。

模擬輸入中的分流電阻將電流轉(zhuǎn)換為電壓

該電阻器稱為分流電阻器，具有特定的電阻。例如，在某些西門子模擬輸入模塊中，該電阻為 250 歐姆。并且由于歐姆定律，現(xiàn)在可以通過簡單的計算將模擬電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。

電壓（V）=電阻（R）x電流（I）

由于我們已知電阻為 250 歐姆，因此也可以計算出我們測量的電壓對應(yīng)多少毫安。

了解了這些背景知識后，我們來看看電流模擬輸入的接線。它們通常可分為三種類型：

• 2 線模擬輸入
• 3 線模擬輸入
• 4線模擬輸入

當談到 2、3 和 4 線時，我們在這里談?wù)摰膶嶋H上是發(fā)射器或換能器。電流發(fā)射器可以以不同的方式接線，因此電線數(shù)量也不同。區(qū)別在于信號的電源。有時發(fā)射器會為電路供電，有時您必須使用外部電源。

2 線模擬輸入

連接 2 線變送器的第一個也是最簡單的方法是將其連接到回路供電。基本上，這意味著 PLC 將提供電流回路。這里只需要 2 根線。為了讓 PLC 提供電流，我們需要使用模擬輸入模塊上的另一個端子：

• A+：模擬輸入電源

一根電線從 A+ 穿過發(fā)射器，再通過另一根電線回到 AIN。電源來自 A+，發(fā)射器控制電流，模擬電流信號進入 AIN。

回路供電兩線電流模擬輸入接線

您還可以為 2 線變送器使用外部電源。將電源的 0 V 連接到 AGND，并通過變送器將 24 V 連接到 AIN。雖然實際上您需要 3 根電線，但它仍被視為 2 線模擬輸入連接。因為變送器只有兩根電線。

帶外部電源的兩線模擬輸入

2 線電流環(huán)路的一個缺點是，只有一個環(huán)路用于供電和信號。這實際上意味著變送器必須消耗少于 4 mA 的電流才能工作。一些傳感器和變送器消耗的電流超過這個數(shù)字，這就引出了 3 線和 4 線環(huán)路。

3 線模擬輸入

在 3 線電流環(huán)路中，電源和信號之間僅共用接地。接地連接到 AGND 和電源 (-)。但發(fā)射器有 2 根正極 (+) 線。一根連接到電源 (+)，一根連接到 AIN。

具有獨立信號和電源環(huán)路的 3 線模擬輸入

盡管它們共用地線，但 3 線變送器會創(chuàng)建 2 個環(huán)路。一個用于信號，一個用于電源。現(xiàn)在，傳感器或變送器可以消耗所需的電流，而不會干擾我們的模擬信號。

4 線模擬輸入

4 線變送器也得到廣泛使用，因為它將電源與信號分開。通過為變送器提供 4 根線，您可以有 2 根用于電源，2 根用于信號。當然，4 線變送器需要外部電源。

將 4 線變送器連接至模擬輸入

顯然，使用 4 線變送器的最大優(yōu)勢是電源和信號完全分離。它們可以完全隔離或光隔離，因此電源干擾不會影響信號。

閱讀手冊

這里最重要的是，您知道您擁有哪種變送器或傳感器。閱讀手冊并決定如何連接它。別忘了也閱讀模擬輸入模塊的手冊。不同的供應(yīng)商給模塊上的端子起不同的名稱。有時他們甚至為接地和噪聲保護制定不同的指導方針。

總之，成功接線的黃金法則很簡單：認真遵循制造商的說明。這可確保您的 PLC 設(shè)置順利運行，避免任何接線事故。

模擬輸入縮放

當模擬輸入信號進入 PLC 時，您通常需要在 PLC 程序中對其進行縮放。縮放意味著您將模擬輸入的原始值轉(zhuǎn)換為某種工程值。工程值是一個表示物理值的數(shù)字，例如流量（m3/s）、重量（kg）或溫度（度）。

轉(zhuǎn)換或縮放只需一些數(shù)學運算即可完成。一些 IDE（如西門子 Step 7 或 Tia Portal）甚至有專門用于縮放的功能塊。在這里，我將向您展示縮放模擬輸入的兩種方法。

用數(shù)學來擴展

之前我解釋了模擬信號如何在 PLC 中變成原始值。但這個數(shù)字實際上只代表西門子平臺上 0 到 27648 之間的數(shù)字。模擬信號代表的是物理測量值，如 0 到 300 度。在我們的 PLC 程序中使用工程值或在 HMI 上顯示測量值非常方便。

我們必須以某種方式將范圍 0-27648 轉(zhuǎn)換為 0-300。

從數(shù)學上我們可以用這種關(guān)系來描述它：

原始值 / 27648 = 工程值 / 300

通過分離工程值，我們現(xiàn)在得到了一個可以直接在 PLC 程序中使用的方程。此方程可用于將模擬輸入縮放為工程值：

工程價值 = (原始價值 / 27648) * 300

當然，這里最簡單的選擇是使用結(jié)構(gòu)化文本。這樣，我們只需一行代碼就可以縮放模擬輸入。以下是在 CODESYS 中執(zhí)行此操作的方法：

但即使您僅使用數(shù)學就可以進行縮放，有時也會使用功能塊來進行縮放。

使用 SCALE 功能塊進行縮放

例如，西門子有專門用于縮放的內(nèi)置功能塊。該塊簡稱為 SCALE，有 5 個輸入和 3 個輸出。但我只關(guān)注其中的 3 個輸入和 1 個輸出。

HI_LIM 和 LOW_LIM 是工程值的限制。例如，如果您想將模擬信號縮放到 0-300 度，則 LOW_LIM 應(yīng)為 0，HI_LIM 應(yīng)為 300。模擬輸入的原始值位于名為 IN 的輸入端。

最后，縮放的結(jié)果將被發(fā)送到塊的輸出（OUT）。

這里進行的所有計算與前面顯示的相同。有些人更喜歡其中一種方法。

模擬輸出

模擬輸出與模擬輸入有很多相似之處。但在接線方式以及在 PLC 程序中使用它們的方式方面仍然存在一些差異。與模擬輸入一樣，模擬輸出可分為兩種類型：

• 電壓
• 當前的

原理都是一樣的，都是用電壓或者電流作為模擬信號。

讓我們通過查看模擬輸出的接線來深入研究它。

模擬輸出接線

無論您使用哪種類型的模擬輸出，有一件事您始終要牢記。負載。因為本質(zhì)上您會將負載連接到輸出。這可能是流量控制閥、變頻器，甚至是另一個 PLC 上的模擬輸入。

連接到模擬輸出的設(shè)備決定了您應(yīng)該使用哪種類型的模擬信號。如果您想用 4-20 mA 信號控制閥門，那么您的模擬輸出也應(yīng)該是 4-20 mA。

電壓模擬輸出接線

同樣，電壓模擬輸出是最容易接線的。為此，您只需要 2 根電線。電壓源的正極和負極。在本例中是我們的模擬電壓輸出。以下是簡單的 2 線模擬電壓輸出的接線方式：

2 線模擬電壓輸出

但有時 2 根電線是不夠的。即使對于電壓輸出也是如此。一些西門子模塊在其模擬輸出端有兩個額外的端子。它們用于補償所謂的線路阻抗或線路電阻。無需過多贅述，阻抗是電路對電流或電壓變化的抵抗力。同樣，我們在這里處理的是電壓，因此任何電阻都會產(chǎn)生電壓降。

如果您有模擬電壓信號，則電阻會更大。這兩根額外的電線用于補償，以便模擬輸出的電壓水平與目的地的電壓水平相同。

帶線路阻抗補償?shù)奈鏖T子模擬電壓輸出

說到電阻，在處理模擬電壓輸出時，您還必須注意另一件事：負載阻抗。為避免模擬輸出短路，連接到輸出的負載必須具有最小負載阻抗。這通常在 500 到 1k 歐姆之間。您應(yīng)該始終查閱模擬輸出模塊和連接到它的負載的手冊。

電流模擬輸出接線

PLC 上的大多數(shù)模擬輸出的工作原理與 3 線變送器非常相似。這可能看起來很奇怪，因為到目前為止我們只有 2 根電線。但 PLC 通常會提供內(nèi)部電源，從而為我們提供第三根電線。信號的供應(yīng)。

這意味著，當您使用電流輸出時，大多數(shù)情況下您只需要連接信號電流環(huán)路。當然，您最終還必須連接電源環(huán)路。但這通常需要為模塊本身供電，以便 PLC 能夠看到它。

三線模擬輸出模塊

電流和電壓輸出之間的一個主要區(qū)別是負載阻抗。因為電壓輸出需要最小負載阻抗，而電流輸出實際上具有最大負載阻抗。請記住，我們在這里討論的是電流的流動，阻抗（電阻）限制了電流。如果負載阻抗太大，環(huán)路將無法驅(qū)動所需的電流。

典型的 PLC 模擬電流輸出的最大負載阻抗為 300-500 歐姆。

模擬輸出縮放/取消縮放

如果您知道如何縮放模擬值，那么您也知道如何取消縮放。因為這是您經(jīng)常要做的事情。取消縮放的意思是將工程值轉(zhuǎn)換為模塊可以轉(zhuǎn)換為輸出的值。

假設(shè)我們有一個 0-10 V 模擬輸出信號來控制電機的速度。為了使電機以 50% 的速度運行，我們必須在輸出端生成 5 V 模擬信號。為此，我們需要知道要將哪個值發(fā)送到 D/A 轉(zhuǎn)換器。換句話說，我們需要知道我們的范圍。

如果我們以西門子 PLC 為例，正如我在本文開頭所舉的例子，它們的范圍是0-27648。

因為我們現(xiàn)在知道了范圍，所以我們可以計算出其中的 50%：13824。

這里的問題是操作員沒有在 HMI 上輸入 13824 作為設(shè)定點。他通常會設(shè)置的是工程值，在本例中是百分比 (%)。這就是為什么我們現(xiàn)在有一個工程值，我們必須將其轉(zhuǎn)換為模擬輸出范圍內(nèi)的值。

本站回收PLC

您可以通過兩種不同的方式進行縮放。使用數(shù)學或使用功能塊。使用數(shù)學是一種很容易理解背后的原因的好方法。只需使用與縮放相同的關(guān)系即可：

原始值 / 27648 = 工程值 / 100

通過隔離原始值，您現(xiàn)在有一個將工程值轉(zhuǎn)換為原始值的數(shù)學表達式。您只需一行代碼即可在結(jié)構(gòu)化文本中實現(xiàn)這一點：

原始值 := (工程值 / 100) * 27648;

當然，也可以使用功能塊進行非標定。一些供應(yīng)商提供用于非標定的特定功能塊。以西門子為例。他們有一個名為 UNSCALE 的塊。它的工作方式與 SCALE 塊相反。通過將一定范圍內(nèi)的值非標定為 0-27648 之間的值。HI_LIM 和 LOW_LIM 現(xiàn)在是您的工程值的極限。